江西省预警信号评分系统的设计与实现

罗音浩 ， 傅敏军 , 钱学成

1. 江西省气象台， 江西 南昌 330096

2. 樟树市气象局， 江西 宜春 331299

0 引 言

暴雨、暴雪、大风、冰雹、雷电、大雾等强天气每年对社会生产(冯爱青等,2018；李宇梅等,2020)和人民生命财产造成巨大的损失(易雪婷等,2019)。面对重大灾害性天气，预警信号的发布是减轻灾害损失的重要手段，预警信号的发布对政府的防灾调度、市民的安全出行起着重要的服务保障作用(张亚妮等,2019)。一个科学合理的评价体系对预报预警质量的提高有重要的促进作用(唐文苑,2017)。2014年中国气象局发布了《气象灾害预警信号质量检验办法(试行)》(以下简称《检验办法》)，对预警信号检验进行了规范，但是《检验办法》仍有一些值得深入研究的细则，不同的专家有不同的理解，侧重点也有所不同(杨东,2017)。例如，相同的实况、相同的预警根据不同的评分办法可能得到不同的得分，这使得预报员发布预警信号受到多方掣肘，服务效果大打折扣。如何客观地评价每一次预警信号的准确性是一个技术难题，也是提高预警质量的先决条件(刘新彦等,2018)。目前预警信号的评分主要采用人工方法(陈建文等,2018)，对预警信号评分的细则研究较少，存在计算效率低，区域站分钟级资料应用少，连续性天气过程界定不清晰等问题。文中根据《检验办法》，结合江西省气象灾害预警业务的实际需求，设计省、市、县一体的预警信号检验系统，实现对暴雨、暴雪、大风、冰雹、雷电、大雾等预警信息的实时评估。通过计算省、市、县三级逐日预警信号评分，实现实时查询历史任意时间区间的各级预警信号评分结果。

1 检验对象和数据处理

1.1 检验对象

根据《检验办法》要求，需对省、市、县三级气象台发布的暴雨、暴雪、大风、雷电、冰雹、大雾、霾等七类气象灾害预警信号进行质量检验。其中对暴雨、暴雪、大风、大雾、霾预警信号进行分级检验和不分级检验，对雷电、冰雹预警信号进行不分级检验。检验内容包括预警信号的准确性和时效性，准确性包括TS评分、空报率、漏报率和命中率，时效性指当预警信号正确时，计算预警信号相对灾害性天气发生时间的提前量。由于霾和冰雹的实况数据难以获取，因此暂不做霾和冰雹的实时预警信号评分。

1.2 数据准备

评估系统的数据采用国家级、省级统一的数据环境(CMISS)：包括实时下载的逐5 min国家站和区域站降水量、2 min地面平均风和极大风资料，国家站逐小时雪深、能见度、分钟级三维闪电定位以及省、市、县三级预警信号发布等资料。

1.2.1 站点分类

《检验办法》中指出实况采用国家站和部分区域站作为检验的指标站，以县(区)作为检验单元，由于检验单元中出现相应天气的指标站数量占全部指标站数量的比例不同，命中、空报、漏报的结果也不同。因此制作站点归属关系数据库，利用自动站经纬度信息将自动站按县级行政单位划分，得到各县(区)包含的指标站表。

1.2.2 预警信号录入

从江西省气象信息中心的CMISS数据库中读取省、市、县三级发布的暴雨、暴雪、大风、雷电、大雾等预警信号，考虑市、县级预警信息录入不统一，发布单位和发布范围的记法多种多样，通过遍历筛查方法，提取省、市、县三级预警信息中的发布时间、发布类型、发布颜色、发布范围、发布单位和所属单位等信息，并录入数据库。

1.2.3 灾害实况录入

实况数据包括降水量、雪深、风速、闪电和能见度等，每次录入的时间间隔为24 h。通过检验日志文件，判断资料是否缺失，若缺失则进行补录。数据库字段包括灾害天气发生时间、天气类型、对应预警信号级别、检验单元、评定命中、空报和漏报。

1) 降水量。选取每个检验单元中指标站的5 min降水量，计算00:05的12 h和6 h降水量是否达到50 mm，3 h降水量是否达到50 mm或100 mm，逐5 min滚动至24:00结束。如果达到对应的降水量标准，再统计达标站数占整个检验单元站数比例，如果大于《检验办法》中规定的评定漏报比例，则评分时需开展该检验单元命中和漏报的检验，否则只检验该检验单元预警信号命中情况。实况出现时间按照灾害性天气最早发生时间记录。

2) 雪深。雪深和降水量统计都是时间累计量，统计方法类似，按预警级别确定检验的时间区间长度和相应的雪深量级，再根据时间区间累加雪深数据。不同之处在于仅国家站观测雪深数据，因此不计算检验单元中指标站占全部测站比例。

风速、能见度和闪电都是瞬时量，在读取数据时，仅需判断实况量级处于什么颜色的预警信号。

1) 风速。读取当日逐2 min平均风和5 min极大风的指标站资料，按照大风预警信号发布标准对平均风力和阵风量级的要求，分别判断平均风和极大风处于预警量级的范围，取两者级别高的值。如果实况风速达到大风蓝色及以上量级标准，判断检验单元中指标站占全部测站比例是否满足检验漏报要求。实况出现时间按照同小时内所有检验指标站灾害性天气出现时间的平均值记，精确到分钟。

2) 能见度。由于只有国家站观测最小能见度，因此选用国家站小时内最小能见度资料，判断此时段的最小能见度处于什么预警量级的范围，录入实况数据库。

3) 闪电。读取江西省闪电定位资料，由于闪电评分不分量级，因此闪电实况只录入闪电出现的站号和发生的时间。

省、市级预报业务人员通常在预测灾害性天气到达一定范围时才会发布预警信号，对于一些局地小范围的灾害性天气，通常采用指导县级气象部门发布预警信号的方式。因此，假定在一天中省、市、县三级都没有发布某一灾种的预警信号，则认为是局地小范围的灾害性天气，不录入该类型当天的灾害实况。

2 检验评估方法确定

2.1 《检验办法》的补充设定

按照《检验办法》规定，实况出现了暴雨和暴雪天气，30 min内发布了相应等级的预警仍然记作预警信号命中。大风、大雾和雷电预警发布标准中指出，灾害性天气已经出现或者预计未来若干小时可能出现即可发布相应的预警信号，但是没有指出已经出现的时长是多少。文中采用如下评分方法：预报时效≥6 h的预警信号，实况天气出现3 h内补发预警信号仍可记为命中，预报时效≤6 h的预警信号，实况天气出现2 h内补发预警信号仍可记为命中，时间提前量都记为0。

《检验办法》中规定当实况出现的灾害性天气强度和发布预警信号级别不一致时，选择较大量级作为检验的级别,但是却没有规定较大量级实况发生前后多长时间内发生的较小量级实况不进行评定，以及时间间隔为多少时出现的灾害性实况算作两次天气过程，这时就需要检验两次天气过程预警信号的漏报情况。文中采用如下评分方法：在计算漏报时，假定较大量级前后3 h范围内的较小量级实况不进行评定，两次实况间隔2 h及以上算两次天气过程，需分别对这两次天气过程检验是否发布了相应等级的预警信号。

2.2 命中和空报评定

命中和空报是检验发布预警信号时是否出现相应的实况。图1给出了命中和空报评定流程图。首先提取前1 d预警信号库中的预警信号，判断预警类别和预警级别，预警和实况逐站点检验。如果发布了预警，预警时效内没有任何量级的实况，则预警信号分级别和不分级别均为空报，进入下一个站点循环。否则检验实况量级是否高于对应的预警级别。如果是，则记为不分级别命中，计算时间提前量，进入下一个站点循环。如果不是，检查实况量级是否对应预警级别，如果对应，记为分级别和不分级别命中，计算时间提前量，进入下一个站点循环；如果不对应，记为分级别空报和不分级别命中，计算时间提前量并进入下一个站点循环。

图1 命中和空报评定流程

时间提前量计算方式：命中的情况下，计算预警时效范围内的实况发生时间与预警发布时间的差值。如果是首次预警，进行分级检验时，将该级别实况第一次发生的时间与预警发布时间相减；进行不分级检验时，将任意级别实况第一次发生的时间与预警发布时间相减。如果为继续发布，进行分级检验时，将该级别实况最后一次发生的时间与预警发布时间相减；进行不分级检验时，将任意级别实况最后一次发生的时间与预警时间相减，若差值为负数，则时间提前量记为0 min。

2.3 漏报评定

漏报是基于实况检验是否发布相应的预警信号。图2为漏报评定流程图。按照《检验办法》的补充设定，相邻两次实况发生间隔小于2 h算作一次天气过程，因此为避免有跨天的连续性过程，读取检验前一日22—24时和当天标记为需检验漏报的实况，如果当天需漏报的实况集合非空，则逐个站点分类检验。将实况按灾害级别分为红色、橙色、黄色、蓝色4个集合(雷电预警信号不分类)，并按出现的时间进行排序，逐个集合剔除与上一个发生时间间隔小于2 h的实况，剔除后如果实况发生在前一日，说明此实况是前一日延续到检验当天的天气过程，前一日已经检验过，因此剔除，再将高等级实况前后3 h时间范围内的低等级实况剔除。根据处理后的灾害实况，查询省、市、县气象台站是否发布该级别或更高级别的预警，如果没有则记为分级别漏报；再检验各台站有无发布低级别预警，如果没有则记为分级别和不分级别漏报，否则记为分级别漏报。

图2 漏报评定流程

3 检验系统设计

依据《检验办法》和第2.1节对检验方法的补充设定，设计、开发了江西省省、市、县一体预警信号评分系统，设计流程如图3所示。

图3 预警信号评分系统流程

此系统在江西省气象台原有的评分软件基础上，采用国家站和区域站分钟级降水、大风和闪电数据，增加观测站的时空分辨率。通过逐日计算预警信号评分结果，可以缩减查询预警信号评分结果的时间。增加的资料补录功能，可以减少因为资料问题导致的评分误差。

3.1 评分结果数据库模块

计算预警信号评分数据量大，耗费时间长，因此每日计算前1 d评分结果存入评分结果数据库，查询时累加指定日期的每日评分结果。制作检验结果库包括：检验单元、灾害天气类型、灾害级别、发生时间、分级时间提前量、不分级时间提前量、发布单位、所属单位、分级命中空报漏报情况、不分级命中空报漏报情况共10个字段。

3.2 前端查询模块

利用逐条的预警信号和实况检验结果，设计前端显示平台。前端显示分为3个按钮：检验级别、查询的起始时间和结束时间。检验级别包括省级、市级和县级预警信号检验。利用检验结果库中的数据，按照《检验办法》中的公式对该发布单位的暴雨、暴雪、大风、大雾预警进行分级别、所有级别和不分级别检验，对雷电预警进行不分级别检验，检验内容包括预警信号的质量评分(TS)、命中率(POD)、空报率(FAR)、漏报率(PO)、准确预警的时间提前量(T1)、预警的时间提前量(T2)、有效预警的时间提前量(T3)等，并将检验结果和样本数通过表格的形式进行展示。

4 一次暴雨过程预警信号检验

选取2020年5月29日的天气过程进行评分展示。图4给出了2020年5月29日预警发布情况。由图可知，在此次天气过程中江西省气象台发布了一次暴雨黄色预警信号，其中包括县(区)检验单元29个；发布了一次暴雨橙色预警信号，包括县(区)检验单元10个。

图4 2020年5月29日预警发布情况

根据《检验办法》，首先计算2020年5月29日全省指标站累计3、6、12 h降水量和灾害天气最早出现的时间，统计检验单元到达蓝色、黄色、橙色、红色(只需出现1个站)预警信号标准站数占检验单元总站数的比例，如果分别大于20%、15%、10%，则记此检验单元需要检验漏报情况，否则只检验预警命中情况，再剔除高等级实况前后3 h的第一级实况，得到检验实况(图5)。分级检验中此次暴雨黄色预警信号命中10个检验单元，漏报1个，空报19个，时间提前量共770 min。暴雨橙色预警信号命中5个检验单元，无漏报，空报5个，时间提前量共244 min。所有级别检验命中15个检验单元，漏报1个，空报24个，时间提前量共1 014 min。不分级别检验中6个暴雨黄色预警空报单元达到暴雨蓝色预警量级，因此不分级检验命中21个检验单元，漏报1个，空报18个，时间提前量共2 418 min。表1即为此次暴雨预警 信号评分结果。此评分系统具有查询时间短、及时性强和可在数据缺少时自动补入数据等优势，提高了检验系统准确性和稳定性。

表1 2020年5月29日暴雨预警信号评分结果

图5 2020年5月29日灾害天气实况

5 小 结

江西省预警信号评分系统严格遵从《检验办法》评分规则设计，并对其细节进行科学客观的补充设定，实现省、市、县三级任意时间段，暴雨、暴雪、大风、大雾、四类预警信号分级、所有级别和不分级别的检验，雷电预警信号的不分级检验。检验内容包括预警信号的质量评分、命中率、空报率、漏报率、准确预警的时间提前量、预警的时间提前量、有效预警的时间提前量等。

高效的检验效率对天气过程的分析总结，预警服务材料的制作提供有力的支撑。各级气象台站采用同一套科学严谨的检验办法，一是可以减少预报员繁琐的预警信号检验工作，二是便于气象业务管理部门对各级气象部门预警发布质量横向评比。通过调整预警信号考核目标，促进预警信号业务规范化发展，提高预报员个人预警发布素质，降低人们因气象灾害而造成的生命财产损失。